某中学四层教学楼框架结构毕业设计（精选7篇）
编辑：admin 来源：毕业设计论文网 浏览次数：0 录入时间：2009-10-25 03:37:30 内容简介
某中学教学楼，设计要求建筑面积约4019m2，主体结构4层，层高均为3.9m，结构为钢筋混凝土框架结构。最大积雪厚度0.32m，基本雪压SO=0.4KN/M2,基本风压WO=0.4 KN/M2,土壤最大冻结深度0.09m。抗震设防烈度6度，设计地震分组第三组，耐火等级为二级.文件组成及目录
开题报告 中英文翻译 实习报告 任务书 计算书： 1 引言 1 2 建筑设计说明 2 2．1 工程概括 2 2．2 工程设计依据 2 2．3 建筑设计的目的和要求 2 2．4 建筑平面设计 3 2．5 建筑剖面设计 8 2．6 建筑体型和立面的设计 8 2．7 构造设计 9 3 结构设计说明11 3．1 工程概况11 3．2 设计主要依据和资料11 3．3 结构设计方案及布置13 3．4 变形缝的设置13 3．5 构件初估13 3．6 基本假定与计算简图14 3．7 荷载计算14 3．8 侧移计算及控制14 3．9 内力计算及组合15 3．10 基础设计15 3．11 施工材料1 引言 1 2 建筑设计说明 2 2．1 工程概括 2 2．2 工程设计依据 2 2．3 建筑设计的目的和要求 2 2．4 建筑平面设计 3 2．5 建筑剖面设计 8 2．6 建筑体型和立面的设计 8 2．7 构造设计 9 3 结构设计说明11 3．1 工程概况11 3．2 设计主要依据和资料11 3．3 结构设计方案及布置13 3．4 变形缝的设置13 3．5 构件初估13 3．6 基本假定与计算简图14 3．7 荷载计算14 3．8 侧移计算及控制14 3．9 内力计算及组合15 3．10 基础设计15 3．11 施工材料15 3．12 施工要求及其他设计说明16 4 设计计算书 16 4．1 设计原始资料16 4．2 结构布置及计算简图17 4．3 荷载计算19 4．4 地震作用计算30 4．5 竖向荷载作用下框架内力计算41 4．6 风荷载计算56 4．7 内力组合58 4．8 截面设计61 4．9 楼板设计69 4．10楼梯设计74 4．11 基础设计81 4．12 纵向连续梁设计94 5 电算部分 99 结论 154 致谢 155 参考文献 156 CAD图纸：
建筑设计说及门窗表 建筑总平面图 一层平面图 二层平面图 三层平面图 四层平面图 屋面平面图
北立面、南立面 东西立面图
剖面图，构造详图 主楼楼梯平面及构造图 辅助楼梯平面图 构造详图
结构设计总说明 基础平面布置图 基础详图1、2、3 一层结构平面布置图 二三层结构平面布置图 四层结构平面布置图 一层梁配筋图 二、三层梁配筋图 四层梁配筋图
一层柱配筋平面图
各层柱配筋平面图、配筋表 一~四层楼板钢筋表
某中学教学楼位于抗震设防烈度7度地区,第二组,根据岩土工程勘察报告,该教学楼场地类别为Ⅲ类。该地区基本风压为0.7kN/m2,地面粗糙度类别为C类。该教学楼为六层局部七层现浇钢筋混凝土框架结构,采用人工挖孔灌注桩基础,建筑面积约为4900平方米,
于1988年施工建成并投入使用,其结构平面图见图1。经抗震鉴定,该教学楼综合抗震能力不满足现行规范要求。主要存在的问题有:(1)该建筑框架结构为单跨单向框架,根据《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)第6.1.4条强制性条文以及6.2.8条的规定,该建筑物综合抗震能力不满足要求;(2)该建筑结构底层与二层计算高度差异较大,底层抗剪刚度小于二层的70%,局部结构底层(14-17)轴开间由框支梁承重,造成结构布置竖向不规则,且结构平面布置局部突出,平面不规则;(3)该建筑物绝大部分框架角柱及部分中柱、边柱的纵筋配筋率不能满足规范限值要求。
2 加固方案选取
根据《建筑抗震加固技术规程》(JGJ116-2009)第6.2.1条,单向框架应进行加固处理,或改为双向框架,或采取加强楼、屋盖整体性且同时增设抗震墙、抗震支撑等抗侧力构件的措施;单跨框架不符合鉴定要求时,应在不大于框架-抗震墙结构的抗震墙最大间距且不大于24m的间距内增设抗震墙、翼墙、抗震支撑等抗侧力构件或将对应轴线的单跨框架改为多跨框架。
对原结构采用中国建筑科学研究院提供的SATWE结构计算软件进行计算分析,发现原结构主要存在如下问题:(1)原结构一、二层超过80%柱轴压比超限,三层超过50%柱轴压比超限,四、五层局部柱轴压比超限,且轴压比符合规范限值要求的部分柱承载力不足;(2)局部梁截面尺寸不满足抗剪承载力的要求,部分梁承载力不足;(3)原结构纵向最大层间位移角位于一层,为1/542,由偶然偏心水平地震起控制作用,原结构横向层最大层间位移角位于一层,为1/220,风荷载其控制作用,可见,原结构纵横向层间最大层间位移角均超过现行规范限值要求。(4)原结构第一周期为1.7829s,扭转系数达到0.61,可见原结构抗扭刚度相对不足,存在扭转效应。
根据以上综合分析,加固方案主要有两种,一是采用沿单跨框架的方向新增钢筋混凝土框架柱,使原结构的单跨框架结构变为两跨框架结构,并对轴压比不满足规范限值要求的柱进行扩截面加固,同时改单向框架为双向框架;二是采用在原填充墙适当位置新增抗震墙,采用改变原结构体系的方法进行抗震加固设计,并改单向框架为双向框架。通过比较可知,结合原结构的填充墙位置新增抗震墙使原结构变为框架-抗震墙结构方法优于新增钢筋混凝土框架柱的方法,主要表现为:(1)新增抗震墙比新增框架柱抗侧移刚度提高更为明显,更容易满足设计要求,同时避免了大范围柱扩截面及新增框架柱施工;(2)新增抗震墙加固不改变原建筑立面,可保持原建筑外观,使用上更为方便。
3 加固设计
3.1 新增抗震墙加固
本工程新增抗震墙的目的为改变原单跨单向框架的结构体系,使其满足现行规范抗震要求;同时新增抗震墙可以大大减少原结构的最大层间位移角,使其满足现行国家规范的限值要求;此外,经SATWE计算分析可知,新增抗震墙吸收原结构的大部分内力,使得原结构大部分不满足轴压比限值要求的框架柱能满足规范限值要求。
新增抗震墙加固后,经过抗震墙刚度调整,消除了原结构一层的薄弱层,结构纵向最大层间位移角位于七层,为1/1004,结构横向最大层间位移角位于三层,为1/1314,均满足现行规范限值要求;同时消除了原结构的扭转效应,加固后结构的第一及第二周期分别为0.8483s及0.8167s,且该两个周期的结构扭转系数均为0.00,整体结构的受力更加的合理。
新增抗震墙大幅减小原结构梁柱内力,原结构SATWE计算分析可知,原结构一层有39根柱轴压比超限,占一层框架柱总数的87%,新增抗震墙加固后,经SATWE计算分析,仅有1根柱轴压比超限,采用单根柱扩截面加固即可满足要求。原有大部分横向框架梁支座抗弯及抗剪承载力不足,部分梁支座受剪截面不足,新增抗震墙加固后,未布置抗震墙位置的横向框架梁承载力均满足要求,而新增抗震墙所在位置的框架梁内力放大,对该部分梁截面上下均采用扩截面的方法进行加固处理即可满足要求,新增纵筋锚入抗震墙内。图2为新增抗震墙加固平面布置图。
3.2 改单向框架为双向框架加固
原结构为单向框架,不满足现行规范要求,新增抗震墙后,将原结构纵向连系梁按框架梁输入SATWE计算模型,经SATWE计算软件进行空间受力分析,得出另一侧连系梁改为框架梁后的内力。采用对原连系梁梁底外包角钢加固提高梁底受弯承载力,梁面支座粘钢加固提高支座受弯承载力,结合梁面粘钢及梁底外包角钢对原连系梁全长采用外粘封闭钢板箍加固用以提高梁截面受剪承载力;梁柱节点处梁底采用等代连接,梁面采用封闭扁钢箍包柱连接,使节点处锚固满足规范要求,加固大样如下图3所示。
3.3 原结构局部承载力不足构件加固
将新增抗震墙及局部柱、梁扩截面后的截面输入SATWE计算模型,进行三维计算分析,得出梁、柱构件的内力,将该内力与原结构梁、柱构件承载力进行比较,承载力不足者按《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)采用粘钢或者外包角钢等常规加固法进行加固。
3.4 基础加固
经SATWE软件计算模型分析可知,原结构总质量为3886.062t,新增抗震墙后结构总质量为3914.368t,经加固后总体结构的总质量有所增大;原结构基本周期为1.7829s,新增抗震墙后结构基本周期为0.8483s,结构抗侧移刚度得到了很大的提高。因此,新增抗震墙后结构地震作用增大,原有基础承载力不满足要求,设计采用新增锚杆静压桩加固基础,本工程总共新增锚杆静压桩68根,单桩承载力特征值为300kN。
4 结论
(1)在抗震加固设计中应综合考虑结构的功能要求及力学性能,考虑到建筑布置及加固方案的难易程度,对比不同加固方案的优缺点,最终选择最优方案。
(2)单跨框架新增抗震墙加固,可以将大部分原结构的内力“吸收”到新增抗震墙来承担,在最大程度上减少对原结构构件的加固;通过新增抗震墙合理布置可消除原结构的薄弱层并消除原结构的扭转效应;新增抗震墙抗侧移刚度较大,可很好的控制结构最大层间位移角,使其满足规范要求。
(3)改单向框架结构为双向框架结构加固,应特别注意节点的处理,使加固后的结构符合双向框架的构造要求。
摘要：本文结合某钢筋混凝土单跨单向框架结构抗震加固设计,主要阐述了新增剪力墙法及改单向框架为双向框架法在混凝土结构抗震加固中的应用,可为同类工程提供有益参考。
关键词：混凝土框架结构,抗震加固,抗震墙
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.GB50023-2009建筑抗震鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[2]中国建筑科学研究院.JGJ116-2009建筑抗震加固技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
摘要：本文针对PLC及电梯教学的需要，介绍了由PLC控制的自我设计的四层电梯模型的构成、设计要求、编程方法及程序等。对电梯模型采用PLC控制系统的设计进行了描述，并通过实际教学的应用，积累了宝贵的经验，在教学方面具有较好的实用价值。
关键词：电梯模型 PLC控制 程序设计
0 引言
随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。电梯作为楼群建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，大部分电梯控制系统都采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定、可靠性高等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器（PLC）来实现。
1 四层电梯模型
结合教学的需要，我们研发设计了四层电梯模型，该电梯模型基本上反映了电梯的结构和使用功能，效果直观，可操作性好；选用功能较强的PLC作为控制单元，符合我国当前中低速电梯控制系统的实际情况。同时，该模型为电梯技术教学提供了较理想的实验平台，使用者可以直观地验证其程序编辑的正确性，便于理解电梯控制的逻辑关系。
2 可编程序控制器（PLC）
可编程序控制器为（Programmable Logic Controller，简称PLC），是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有可靠性高、适应面广、抗干扰能力强、编程方便、对环境要求低、与其他装置配置连接方便等特点。在工业自动化控制系统中占有极其重要的地位。
3 四层电梯模型PLC控制系统的设计
3.1 设计目的 ①实现电梯运行的自动控制；②制作、完善教学教具；③加强教师教学教研水平；④更好的为教学服务。
3.2 设计要求
3.2.1 电梯上行设计要求：①当电梯停于1f或2f，3f呼叫时，则上行，到3f的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭；②当电梯停于1f，2f呼叫，则上行，到2f的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭；③当电梯停于1f，2f，3f同时呼叫，电梯上行到2f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3f行程开关控制停止；④当电梯停于1f，3f，4f同时呼叫时，电梯上行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4f行程开关控制停止；⑤当电梯停于1f，2f，4f同时呼叫时，电梯上行到2f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4f行程开关控制停止；⑥当电梯停于1f，2f，3f，4f同时呼叫时，电梯上行到2f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4f行程开关控制停止；⑦电梯停于2f，3f和4f同时呼叫，电梯上行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4f行程开关控制停止；⑧当电梯停于1f或2f或3f时，4f呼叫，则上行到4f行程开关控制后停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
3.2.2 电梯下行设计要求 ①当电梯停于4f或2f，3f呼叫时，则下行，到2f的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭；②当电梯停于4f，3f呼叫，则下行，到3f的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭；③当电梯停于4f，2f，3f同时呼叫，电梯下行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续下行到2f行程开关控制停止；④当电梯停于4f，3f，1f同时呼叫时，电梯下行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续下行到1f行程开关控制停止；⑤当电梯停于4f，2f，1f同时呼叫时，电梯下行到2f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续下行到1f行程开关控制停止；⑥当电梯停于4f，3f，2f，1f同时呼叫时，电梯下行到3f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续下行到2f，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续下行到1f行程开关控制停止；⑦当电梯停于4f或3f或2f时，1f呼叫，则下行到1f后停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
3.2.3 电梯呼叫、上行或下行均需信号指示。
3.2.4 在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无共它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。
3.2.5 电梯具有最远反向呼梯响应功能。
4 结束语
我们设计的四层电梯模型，基本上反映了电梯的结构和使用功能，效果直观，可操作性好；在该模型上采用了PLC控制，基本上可应用于真实电梯中，因而在电梯工程实践中，可基本脱离现场环境，事先编制出符合要求的控制软件，以达到提高实际调试的成功率，运行在不同的方式下，实现诸多操纵方式的模拟，克服了教学模型功能单一，仅以演示为目的的局限性，为教学和科研提供了较理想的实验平台，具有实用和推广价值。
参考文献：
[1]郭金玉，陈国呈.多微机控制的中/高速VVVF电梯[J]电子技术应用. 2000.(02).
北京市某售楼处建造于2004年, 地下一层, 地上两层, 房屋总建筑面积5100㎡。按北京市抗震设防烈度8度设计, 地震加速度为0.20g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为III类。房屋总长68.0m, 宽25.0m、总高10.9m。层高:一层为5.4m, 二层为5.5m。地下一层采用混凝土结构, 地上两层为钢框架支撑结构, 框架柱采用钢管混凝土柱, 框架梁采用钢梁, 支撑采用钢支撑, 楼屋面板为压型钢板混凝土组合板, 基础采用筏板基础。
地下一层原为车库, 现功能不变;一层二层原功能为售楼处, 现改为超市。由于房屋中间5-6-B-C区域附近用斜支撑作为竖向传力构件, 作为超市使用, 有诸多不便。建设方决定拆除斜撑, 满足超市使用功能上的要求。
2 改造方案-转换梁托梁去斜撑方案
在确定改造方案之前, 首先对房屋现状进行了现场调查及检测。该楼现状良好, 未发现有结构上的明显缺陷, 房屋钢构件及混凝土强度等级满足原设计要求。
该建筑一层和二层在横纵轴线相交处5-B轴、5-C轴、6-B轴及6-C轴位置没有结构柱, 荷载通过5-6-B-C区域外围四根钢梁传递给斜撑, 斜向支撑再向下传递 (具体见图1和图2和图4) , 在地下一层顶, 各支撑汇聚于一点, 即横纵轴线相交处 (具体见图4) , 将上部结构荷载传递给地下一层的框架柱, 传力途径较为复杂。拆除斜撑后, 上述四根钢梁荷载无法向下传递, 因此须沿5-A-D轴, 6-A-D轴, 4-7-B轴及4-7-C轴, 增加转换梁, 承担次梁传来荷载, 同时在一层和二层5-B轴、5-C轴、6-B轴及6-C轴位置, 增加框架柱, 与转换钢梁连接 (具体见图3) , 转换梁将荷载传给新增框架柱, 框架柱将荷载传递给地下一层柱, 再传给基础。
改造后, 原结构传力途径改变, 结构需进行抗震验算。主要包含以下两个方面内容。a、对整体结构进行抗震变形验算, 如不满足要求, 需增大结构抗侧刚度;b、对所有梁柱构件进行抗震承载力验算, 如不满足要求, 需进行加固;
3 改造后结构抗震验算
按照上述方案拆除斜撑后, 该结构体系变为框架结构。由于框架柱为钢管混凝土柱, 结构的弹性层间位移角按混凝土结构限值1/550考虑;从表2可以看出纯框架结构不满足抗震变形要求, 需增大结构抗侧刚度。加大框架柱截面或增加钢支撑, 均可提高结构的抗侧刚度及。但加大柱截面尺寸, 需对多根框架柱进行加固, 焊接量较大, 易对原结构柱造成损伤。增加支撑则抗震效果明显且工程量较小, 又能减少对原结构的破坏, 较为合适。
新增主要构件尺寸见下表。
根据建筑结构荷载规范, 原设计活荷载按展览厅取值, 本次改造设计按商场取值, 两者取值没有变化, 均为3.5kN/㎡。抗震设防烈度按8度 (0.2g) , 场地类别为III类, 根据中国建筑科学研究院PKPM软件计算结果, 框架柱抗震承载力均满足要求, 部分次梁, 主要是原来与斜支撑相连的钢梁承载力与变形均不满足要求。框架结构的层间位移角见下表。
结合建筑使用功能, 在建筑两端1-B-C、10-B-C、2-3-A、2-3-D、8-9-A、8-9-D位置各加一道支撑。根据抗震规范, 为保证结构中部区域的抗震承载力, 钢支撑间距不应超过40米, 故需在建筑中部楼梯间7-B-C位置加一道支撑。新的框架支撑结构弹性层间位移角限值见表3。
原承载力不满足的钢梁, 在其下方贴焊200x200x8x13T型钢, 经过验算, 承载力和变形均满足要求。
4 改造前后两种结构形式比较
该建筑原有功能为售楼处, 建筑中间位置4-5-B-C附近区域为售楼处样板间, 基于装修造型需要, 其墙体需做成斜墙, 原结构斜撑即作为斜墙的骨架, 斜撑既承担竖向荷载, 也承担水平地震作用, 斜撑未与主梁和柱直接连接, 而是与次梁直接连接, 不能与框架柱和框架梁协同受力, 成为结构的薄弱处。地震发生后, 斜撑首先会被破坏, 由于此处没有框架柱, 会带来很大安全隐患。改造后的框架支撑结构, 整齐规则, 结构传力途径简单明确, 框架柱与框架梁组成双向完整结构体系, 作为整体共同受力, 提高了结构的安全度;新增支撑布置在结构周围, 提高了结构的整体抗侧刚度。在楼层中间位置楼梯间处布置支撑, 既提高了楼梯间的安全度, 也确保了建筑中部的抗震承载力, 使整体结构无薄弱处。此外新增支撑仅承担水平地震作用, 不承担竖向荷载, 功能更加合理, 安全储备也得到提高。
5 施工要求
对抗震加固及改造工程施工, 应严格控制施工质量以保证新旧结构共同工作, 对本工程的施工, 因钢结构焊接量较大, 焊缝质量必须严格满足规范要求, 严禁对原结构构件造成损伤。具体施工顺序如下:
a应先按设计要求增加钢柱和钢梁, 按图纸加固钢梁;
b拆除二层支撑, 仔细监测钢梁及楼板的变形, 观测三日无变形后, 进行下步工作;
c拆除一层支撑;仔细监测钢梁及楼板的变形, 观测三日无变形后, 拆除完成;
d改造完成后, 监测一月左右, 没有变形后方可进行建筑装修。
6 结语
在房屋改造设计中, 加固改造方案的确定对结构影响至关重要, 而抗震措施也应予以充分重视。在最大限度满足建筑使用功能的前提下, 本着“安全可靠、经济合理、施工简便”的原则, 结合工程具体情况, 制定可靠易行的结构方案和构造措施。
本工程自改造完成并投入使用至今已数年, 所有构件在新荷载作用下工作状态正常。实践证明, 加固合理有效, 达到设计预期效果。
摘要：针对北京市某售楼处, 从结构传力途径、抗震变形验算、抗震承载力核算及施工技术要求等几方面进行加固改造设计, 改造后结构受力更加合理, 抗震性能更加良好。
关键词：斜支撑,抗震加固,转换梁托梁,框架支撑
参考文献
[1]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].
[2]钟善桐:钢管混凝土结构[M].3版.北京:清华大学出版社, 2004.
[3]GB50009—2012建筑结构荷载设计规范.[S].
[4]GB50017—2003钢结构设计规范[S].
汶川地震之后,国家高度重视并要求全面提高全国中小学校舍的抗震防灾能力,在《建筑工程抗震设防分类标准》中,中小学校舍的抗震设防类别由原来的标准设防类提高到重点设防类,即由丙类提高到乙类。
2009年4月启动的全国中小学校舍安全工程,在全国开展中小学校房屋鉴定排查,对具有安全隐患的校舍进行抗震加固、提高综合防灾能力,使学校校舍达到重点设防类抗震设防标准。根据十部委颁布的《全国中小学校舍安全工程实施细则》,为提高学校建筑物的抗震能力,适应当前地震形势,减少地震造成的人员伤亡和经济损失,受相关部门委托我司对广州某小学教学楼进行了抗震鉴定,并提出了加固建议。
1工程概况
广州某小学教学楼建于2003年,为4层框架结构,首层高5.0m,二至四层高均为3.6m,采用桩基础,总建筑面积约22891㎡。其正立面如图1所示,标准层平面如图2所示。
根据《建筑抗震鉴定标准》和《建筑抗震设计规范》,该建筑属于C类建筑,后续使用年限按50年考虑,抗震鉴定参数如表1所示。
2现场检查、检测结果
2.1地基与基础
该教学楼采用桩基础。上部结构未发现由于不均匀沉降造成的结构构件开裂和倾斜,建筑地基和基础无静载缺陷,地基主要受力层范围内不存在软弱土、液化土和严重不均匀土层,非抗震不利地段,地基基础基本完好。
2.2现状调查
对教学楼外观质量进行普查,发现存在以下问题:二~四层个别楼板跨中出现裂缝,宽度大部分在0.2mm~0.4mm之间;四层个别板底出现露筋、锈蚀现象。
2.3房屋整体变形、材料强度和钢筋扫描检测
按照《建筑变形测量规范》的规定,采用经纬仪测量房屋的倾斜现状(包含原有施工误差)。根据测量结果,房屋整体倾斜变形不大,最大倾斜率为0.08%,在规定范围内,满足《建筑地基基础设计规范》规定要求。
根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》的相关规定,采用钻芯法对柱、梁构件分别进行混凝土强度抽样检测。检测结果表明,柱混凝土强度在9.6~45.6MPa之间,其中满足设计强度等级C25要求的占抽检总数的63%,低于设计强度等级C25要求的占抽检总数的37%,其中低于规范强度等级C20要求的占抽检总数的10%;梁混凝土强度在16.6~60.7MPa之间,其中满足设计强度等级C25要求的占抽检总数的69%,低于设计强度等级C25要求的占抽检总数的31%,其中低于规范强度等级C20要求的占抽检总数的7%。
采用ZBL-R630型钢筋位置及保护层厚度探测仪对该教学楼梁、柱钢筋进行扫描,扫描结果表明梁、柱纵向配筋满足设计要求,仅个别梁、柱的钢筋保护层厚度和端部加密区箍筋不满足设计要求。
3结构抗震鉴定
该教学楼为框架结构,根据《建筑抗震鉴定标准》属C类建筑,C类建筑钢筋混凝土房屋应检查其抗震措施和现有抗震承载力。本次鉴定根据《建筑抗震鉴定标准》和《建筑抗震设计规范》中有关规定,对现有建筑整体抗震性能做出评价,对符合抗震鉴定要求的建筑说明其后续使用年限,对不符合抗震鉴定要求的建筑提出相应的抗震减灾对策和处理意见。
3.1抗震措施鉴定
中小学建筑为重点设防类建筑(乙类),按设防烈度提高1度(8度)核查其抗震措施。由《建筑抗震设计规范》可知,该教学楼的抗震等级为二级,本建筑的抗震措施鉴定结果汇总见表2。
3.2抗震承载力验算
该教学楼为4层框架结构,使用PKPM结构设计软件对结构进行计算复核。验算结果表明:(1)首层1-C×1-29轴柱轴压比(0.81)、首层1-C×1-27轴柱轴压比(0.87)、首层1-C×1-26轴柱轴压比(0.89)、首层1-C×1-25轴柱轴压比(0.89)、首层1-C×1-24轴柱轴压比(0.88)、首层1-C×1-23轴柱轴压比(0.88)、首层1-C×1-17轴柱轴压比(0.86)、首层1-C×1-16轴柱轴压比(0.81)、首层1-C×1-10轴柱轴压比(0.83)和首层1-C×1-9轴柱轴压比(0.78)不满足规范要求;(2)首层1-C×1-23轴柱和首层1-C×1-20轴柱纵向配筋不满足规范要求;(3)二层Q×1-C~1-B轴梁和四层R×7~10轴梁纵向配筋不满足规范要求;(4)部分柱加密区箍筋配置和个别梁加密区箍筋配置不满足规范要求。
4鉴定结论
依据相关规范,对该教学楼现场检查、检测,抗震措施鉴定及抗震承载力验算,得出抗震鉴定结论如下:
(1)二~四层个别楼板跨中出现裂缝,宽度大部分在0.2mm~0.4mm之间;四层个别板底出现露筋、锈蚀现象;
(2)框架结构受力体系局部为单跨框架结构,不满足规范要求;
(3)个别柱截面宽度小于400mm;
(4)个别柱轴压比大于0.75;
(5)个别柱、梁纵向配筋不满足规范要求;
(6)个别梁、柱混凝土强度低于C20;
(7)部分柱加密区箍筋配置和个别梁加密区箍筋配置不满足规范要求。
5加固建议
(1)对楼板跨中出现裂缝先采用高压灌注环氧树脂合缝处理,然后在板底用CFRP进行加固处理;对板底局部出现露筋、锈蚀部位,先凿除疏松的保护层,用钢丝刷除锈,涂刷环氧树脂,再用水泥砂浆批补处理;
(2)对局部为单跨框架结构部位,在建筑物端部设置剪力墙肢,能有效降低结构在多遇地震作用下的最大层间位移,同时降低原有框架柱的轴压比,避免地震中由于塑性铰的出现而导致结构整体失稳破坏和倒塌;
(3)现场检查发现个别柱截面宽度小于400mm,但均在连廊等附属结构部位,经验算结果表明,该部分柱承载力满足规范要求,故对该部分柱可不作加固处理;
(5)对纵向配筋不满足规范要求的框架梁、柱构件采用CFRP进行加固处理;
(6)对混凝土强度低于C20框架梁、柱构件采用加大截面法进行加固处理;
(7)对加密区箍筋配置不满足规范要求的梁、柱构件采用CFRP进行加固处理。
摘要：汶川地震之后,为提高中小学校舍的抗震性能,各地对中小学校舍开展了抗震鉴定及加固工作。本文以广州某小学框架结构教学楼抗震鉴定及加固为例,进行原始资料调查,现场检测、结构计算分析以及结构抗震性能评定,并在综合评定的基础上提出了加固处理方案。加固后的结构可达到重点设防类抗震设防标准。
关键词：框架结构,现场检测,抗震鉴定,加固建议
参考文献
[1]GB 50223-2004,建筑工程抗震设防分类标准[S].
[2]GB 50023-2009,建筑抗震鉴定标准[S].
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[4]JGJ 8-2007,建筑变形测量规范[S].
[5]GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].
1.1 房屋建筑概况
静安图书影视城为一现浇混凝土框架结构,建筑总面积约为11 000 m2。该建筑原为一般商业用楼,现业主计划将其改为图书影视城,并计划对原结构进行必要的改造。为使改造后的结构安全可靠,业主委托相关部门对该楼进行初步调查、鉴定,并提出抗震加固改造措施建议。
该图书影视城于1995年建造完成。该楼地上共4层,地下1层,为一高层裙房,房屋结构平面不规则,总体呈东北方向。房屋首层层高6.9 m,标准层层高为4.4 m,屋面标高为20.0 m。房屋现状如图1所示。
1.2 房屋结构概况
静安图书影视城地上共4层,地下1层作为地下室,抗震设防烈度为7度。该楼地上部分采用框架结构,地下室周边为钢筋混凝土剪力墙作为挡土墙。框架梁、板、柱和地下剪力墙均为现浇,剪力墙布置在地下房屋四周和电梯井处。楼梯采用现浇板式旋转楼梯。全楼结构框架柱采用直径为700 mm圆形柱,柱网主要跨度为7.2 m和5.1 m,主梁主要尺寸采用300 mm×700 mm,楼板厚140 mm。地上框架梁、板、柱和剪力墙采用混凝土强度为C30。原结构1～4层在6～11轴与M～Q轴处为天井。结构平面如图2所示。
本工程场地类别为Ⅳ类,基础形式为钢筋混凝土钻孔灌注桩,单桩竖向允许承载力容许值为1 100 kN,桩基混凝土强度等级为C25,桩径600 mm,大部分框架柱下采用四桩。
该房屋建于1995年,原设计抗震设防烈度为7度。参考《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023-2009)[1]的规定,该楼作为商业用楼,按普通设防类进行抗震设防,即抗震设防烈度仍为7度。
2 现场质量检测
2.1 原结构复核
为了解目前静安图书影视城的结构概况以及现在房屋的质量,检测人员对房屋的结构现状进行了细致的检查。
现场检测人员复核、调查了结构的布置情况,抽样检测了该楼的构件截面、柱网(轴线)尺寸、节点构造、围护及分隔墙等结构状况,对框架柱的纵向钢筋、箍筋间距进行了复核。现场调查表明:该楼的结构构件、包括墙体的实际截面尺寸与原设计图纸基本吻合;抽查部分的柱轴网尺寸,轴网尺寸的误差也在规范允许的范围内。
对该楼的主要承重构件的混凝土进行现场勘察和测试,发现房屋结构基本完好,大部分框架梁、柱构件无可视裂缝,混凝土楼板无明显的渗水和结构受力裂缝。结构的非承重构件主要为填充墙体,经检测未发现有明显裂缝,质量良好。部分场地处由于外部环境作用的原因,粉刷层出现明显剥落的现象。
2.2 结构材料强度状况
为确定被检测房屋混凝土的抗压强度,采用超声回弹法检测。超声回弹综合法的具体操作过程按照中国工程建设标准化协会标准《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02-2005)[2]进行。超声回弹综合法测试混凝土最低强度为32.30 MPa,平均强度51.11 MPa,标准差8.021。经修正,综合法推定后混凝土修正强度为C38。利用钻芯法[3]对超声回弹法综合法测试分析结果进行修正。静安图书影视城按超声回弹值确定强度为C38,钻芯法修正-2.45 MPa,所以取混凝土强度为C35.55 MPa。原设计采用混凝土强度为C30,所以混凝土强度满足要求。
2.3 房屋倾斜情况
采用J2-2光学经纬仪,按照变形测量中经纬仪投点法的有关规定,测定建筑物外墙顶点相应底部的偏移值即建筑物倾斜量。该幢房屋基本呈现向东和向北方向的倾斜,向东方向的最大倾斜率为1.24‰,向北方向的最大倾斜率为0.3‰,均在规范允许的4‰范围内。本次检测中对一层框架柱的倾斜也进行了监测,其最大倾斜率为1.18‰,满足规范要求。倾斜数值具体见图3所示。
3 结构抗震鉴定
3.1 抗震设防基本要求
该房屋抗震设防类别为丙类(普通设防类),抗震设防烈度为7度,框架设防等级为三级,抗震墙设防等级为三级,基本地震加速度为0.10g,地震分组为第一组,建筑场地为Ⅳ类(上海),场地特征周期为0.9 s,采用C类建筑抗震鉴定方法。经现场检测,被检测房屋基础现状无严重静荷载缺陷,根据相关规范规定可不进行地基基础的抗震鉴定。
3.2 上部结构的抗震鉴定
3.2.1 抗震一级鉴定
依据《建筑抗震鉴定标准》,对被检测房屋进行抗震措施鉴定,具体包括结构体系、结构布置、混凝土材料强度、钢筋配筋构造、附属构件的连接、剪力墙抗震构造措施等内容。鉴定结果表明,该房屋现有抗震措施均能满足规范要求,满足抗震一级鉴定要求。
3.3.1 抗震计算
1)结构整体抗震性能
按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2008)[4]、《建筑结构荷载规范》(GB 50009-20012006版)[5]等国家标准,采用中国建筑科学研究院结构研究所PKPM系列的PMCAD、SATWE等软件,对被检测房屋进行了整体结构抗震分析。
计算参数为:设防烈度:7度(0.1g);场地类别:Ⅳ类(上海);框架抗震等级:三级;振型个数:15个;周期折减系数:0.85;结构规则性信息:不规则;特征周期:0.9 s。
风荷载:基本风压取0.55 kN/m2,地面粗糙度取B类。
楼面恒载:140 mm厚现浇板楼面取5.0 kN/m2(已考虑饰面重量),楼梯间取7.0 kN/m2,轻质隔墙恒载取1.0 kN/m2,压型钢板—混凝土组合楼板恒载取为4.0 kN/m2。活荷载及恒荷载参考并结合现场检测结果及荷载实际分布情况按《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)规定取值。
活荷载取法如下:1)图书影视城原结构为商业用楼按活荷载采用3.5 kN/m2进行验算。2)楼梯活荷载取3.5 kN/m2,门厅、走廊活荷载取2.5 kN/m2,卫生间有分隔的蹲厕活荷载取7.0 kN/m2,上人屋面活载取3.0 kN/m2(考虑到屋面上的设备重量),不上人屋面活荷载取0.5 kN/m2,屋顶电梯机房活荷载取为7.0 kN/m2。
计算结果表明:静安图书影视城A楼原结构中第二结构层X向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者刚度比小于1,竖向刚度不规则,存在薄弱层;X+5%方向地震作用下,结构位移比大部分大于1.2;Y+5%方向地震作用下,结构扭转不规则的位移比大部分大于规范要求的1.2,属于平面不规则结构;层间位移比与剪重比参数满足规范要求。
2)结构抗震承载力验算
计算结果表明,静安图书影视城原结构框架柱的轴压比均满足要求。全楼框架柱实配纵筋面积相同,且纵向配筋均大于PKPM计算值,满足受力要求;箍筋加密区和非加密区配筋大于PKPM计算配筋要求,满足受力要求。地下室剪力墙水平向配筋均满足PKPM计算要求。框架梁纵向实配钢筋和箍筋均满足PKPM计算要求。
4 抗震鉴定结论
现场检测及计算分析结果表明,静安图书影视城房屋的结构布置、尺寸、层高和主要构件的截面尺寸等基本符合原设计图纸中的要求;主要承重结构构件质量较好,房屋整体结构完好。房屋的非承重构件未发现明显的受力的裂缝,混凝土的强度达到了原设计强度要求;倾斜值在规范允许的范围内,各项抗震性能指标满足规范要求,总体性能良好。
5 结语
通过查阅相关资料和现场调查,依照国家现行规范标准,对某中学多层框架结构实验楼的结构进行了检测鉴定和复核验算,指出该实验楼存在的安全隐患,并从结构整体受力,构造和复核验算等方面提出了加固建议,为后续的加固设计和施工提供了基础数据。本案例可供相关工程设计人员处理类似工程参考。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.GB 50023-2009,建筑抗震鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009
[2]中国建筑科学研究院.CECS02:2005,超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2005
[3]中国建筑科学研究院.CECS 03:2007,钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2007
[4]中国建筑科学研究院.GB 50011-2001局部修订2008版,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001
众所周知, 在超高层建筑结构设计中采用哪一种结构体系是业主方和设计方讨论最多的问题之一, 因为其直接影响到建筑结构的经济合理性。我国超高层建筑以往基本采用钢筋混凝土结构体系, 而钢—混凝土混合结构在我国超高层建筑中应用只是近十年才兴起的。由于钢—混凝土混合结构体系具有承载力高、延性好、变形能力强, 从而具有较强的抗风和抗震能力。建成的赛格广场大厦、上海中心大厦、长江中心大厦、上海金茂大厦、深圳地王大厦、台北国际金融中心 (101广场) 、北京LG大厦, 均采用了混合结构体系, 这种结构体系的应用也日趋广泛[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。
某塔楼结构通过对建筑空间及功能要求的分析, 决定选用框架—核心筒结构作为塔楼的结构体系。本文以该工程实例来探讨钢筋混凝土方案 (框架主要采用钢管混凝土叠合柱和钢筋混凝土梁) 和混合结构方案 (框架主要采用钢管混凝土柱和组合梁) 的优劣。该塔楼总高为211.3 m (女儿墙顶高为220.3 m) , 标准层平面为正方形, 边长为44.6 m, 整体高宽比达到220.3/44.6=4.94。结构设计基准期为50年, 设计使用年限为50年, 建筑结构的安全等级为2级, 抗震设防类别为丙类。本工程地处某沿海城市, 抗震设防烈度7度, 设计基本地震加速度0.15g, 设计地震分组第一组, 场地类别暂定为Ⅲ类, 规范场地特征周期Tg=0.45 s, 如图1所示为结构的计算模型。
本文针对这两个方案展开研究, 通过计算结果比较分析, 两方案在力学性能、成本造价、施工的可行性和效益等方面的优劣性, 相关结论可供在实际工程的结构方案选型时参考。
2 两种结构体系技术指标比较
根据建筑平面和建筑使用功能, 以及建筑所在地区的风荷载较大的特点, 因此采用框架—核心筒结构体系, 核心筒是结构抗风和抗震的主要抗侧力构件, 选用钢筋混凝土材料, 混凝土的刚度大, 耐火性能好, 初始造价和后期维护的费用都较低。但外框架存在钢筋混凝土框架和钢管混凝土混合框架两种选择, 以下称为钢筋混凝土方案和混合结构方案。
钢筋混凝土结构方案中周边框架和核心筒均采用钢筋混凝土材料, 充分利用混凝土结构刚度和阻尼大的优点, 结构的竖向刚度和内力变化平稳。在另一方案中核心筒选用钢筋混凝土材料, 而周边框架柱采用钢管混凝土, 框架梁为组合梁。由于该地区风荷载较大, 该组合结构方案需设置加强层, 采用伸臂桁架和腰桁架增强核心筒和周边框架的共同作用。根据本建筑的特点, 初步选定第17层和34层 (避难层) 作为加强层, 混合结构Y向刚度较弱, 在每个加强层沿Y向布置四道加强桁架, 桁架采用人字形桁架形式, 桁架杆件初步选定为箱形钢构件。如图2所示为钢筋混凝土方案典型楼层结构布置, 图3为混合结构方案加强层结构布置。
2.1 结构周期和振型模态
如图4所示为两种结构方案振型模态的对比, 从图4可见, 两种结构方案振型模态区别不大。
表1给出了两种结构方案结构前6阶周期的对比。计算结果表明, 两种结构方案周期表现出规则的变化, 占主要作用的周期振动分量耦合小, 振型“纯净”。对于钢筋混凝土方案, 前两个周期均为平动周期, 第三周期为扭转周期, 周期比为0.57, 结构表现出良好的动力性能, 由于建筑的限制, 核心筒X向和Y向的长度相差较大, Y向的刚度约为X向的0.7倍;对于混合结构方案, 前两个周期均为平动周期, Y向的刚度约为X向的0.7倍, 第三周期为扭转周期, 周期比为0.45, 混合结构整体抗扭更好 (见表1) 。
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混合结构的周期略小于钢筋混凝土结构, 这是因为混合结构的自重较小, 同时为满足抗侧刚度的要求, 混合结构布置了加强层, 提高整体刚度, 在两因素综合作用下, 混合结构的周期小于混凝土结构。
2.2 层间位移角
计算结果表明, 两种结构方案在风荷载和地震作用下结构均满足层间位移角的限值要求。结构在风荷载作用下侧移较大, 风荷载在本工程中起控制作用。图5和图6分别给出了钢筋混凝土结构方案和混合结构方案在风荷载作用下的层间位移角曲线, 可见, 对于混合结构方案, Y向水平作用下层间位移角曲线出现尖突, 尖突位于加强层所处高度。与钢筋混凝土结构相比, 混合结构的层间位移角更接近于规范限值, 特别是Y向水平作用, 该突变对抗震不利。
2.3 结构自重
钢筋混凝土结构方案恒载总重为151 916.5 t, 混合结构方案为133 244.5 t, 钢筋混凝土结构的恒载比混合结构重14%。钢筋混凝土结构方案折算结构重量为:1.60 t/m2, 混合结构方案折算结构重量为:1.41 t/m2。混合结构的重量比混凝土结构轻11.5%, 总重约少18 086.4 k N。
混合结构可从地基和基础上节省一定的造价, 以采用人工挖孔桩估算基础造价差额。人工挖孔桩桩身直径取d=1 200 mm, 扩大头直径采用D=1.33d≈1 600 mm, 预估桩长为20 m, 单桩极限承载力特征值为Ra=qpaAp=9 000×3.14×1.62/4=186 323.75 k N (暂不考虑桩身摩擦对承载力的贡献) , 单桩承载力特征值R=Ra/2≈9 043.2 k N, 则钢筋混凝土结构比混合结构所多出桩数量为186 323.75/9 043.2≈21根, 每根桩的混凝土体积为22.6 m3, 总共需增加22.6×21=475 m3混凝土, 人工挖孔桩每立方米混凝土造价约为700元, 混合结构方案可节省桩基造价700×475=33万元。
2.4 净层高
钢筋混凝土结构方案:主梁的高度为800 mm (包括楼板厚度) , 建筑标准层层高为4.1 m, 保证了净高有3.3 m。
混合结构方案:主梁的高度为600 mm, 楼板厚度为120 mm, 保证了净高有3.38 m。
混合结构比钢筋混凝土结构多出80 mm的净空, 另外混合结构的次梁可采用蜂窝梁形式 (如图7所示) , 可供水电管穿行, 可提供更多的建筑空间。在净层高方面混合结构占优势。
2.5 材料估算
根据标准层平面及配筋图, 估算出标准层的钢筋用量、混凝土用量和钢材用量, 下列估算材料用量在后期设计阶段随着设计信息的进一步深化以及设计条件的变化会有所变化, 但结构初步设计方案可以提供参考 (见表2) 。
2.6 施工周期比较
在合理的施工组织下, 混合结构体系施工速度较快。表3给出了一些实际工程实例的施工周期的比较, 由表3可见, 超高层混合结构平均每层施工周期要比混凝土结构快1 d~2 d左右, 另外, 混合结构钢构件施工容易受天气的影响, 可能会拖慢施工进度。预计钢筋混凝土结构的施工速度为4 d/层~5 d/层, 混合结构的施工速度为5 d/层~6 d/层 (见表3) 。
3 结语
综合前面对两个结构方案的比较, 可得到以下结论:
1) 两个结构方案均满足安全、舒适和建筑功能等的要求, 体现了建筑与结构平立面的高度统一;
2) 混合结构方案能提供较大的有效空间;
3) 钢筋混凝土结构方案的上部结构用钢量较少、造价较低, 混合结构的重量较小, 基础费用较少。综合来看, 钢筋混凝土结构方案在造价上相对低廉;
4) 混合结构施工速度较快。
超高层建筑采用钢筋混凝土结构的造价虽低, 但施工工期相对较长, 时间成本相对较高, 采用混合结构具有结构占用面积小、施工工期较短, 但结构造价高, 前期资金投入大, 当然钢材也具有可回收、更环保的优点。超高层建筑结构采用混合结构还是混凝土结构的综合经济效益并不是一个简单的课题, 它涉及到结构设计、施工管理、风险投资和资本运作等多方面, 业主方可在各方的配合下, 对两种结构体系作详细的经济性比较分析, 进行多方面论证, 找到最优最经济的结构方案。
摘要：以某超高层框架—核心筒结构工程为例, 对钢筋混凝土方案和混合结构方案展开了研究, 通过对计算结果比较分析, 总结了两方案在力学性能、成本造价、施工的可行性和效益等方面的优劣性, 相关结论供同行在实际工程的结构方案选型时参考。
关键词：超高层建筑,结构体系选型,框架—核心筒结构,混合结构
参考文献
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